30m3非圓截面植物油罐式集裝箱設(shè)計

罐式集裝箱用來運輸液體散裝產(chǎn)品和固體粉末類產(chǎn)品，主要運輸液體產(chǎn)品有石油化工、食品類等。目前，滿足國際物流運輸?shù)墓尴洳捎肐SO1496-3標準，結(jié)構(gòu)主要采用外部剛性框架，內(nèi)部為圓形截面罐體，框架與罐體通過剛性連接，受限于ISO罐箱寬度2438mm，圓形截面設(shè)計容積為26m3，標稱載重為26500kg左右。運輸植物油時，受容積限制，植物油密度一般按照0.885噸/m3考慮，實際裝載22550kg，無法充分利用集裝箱的載重能力。為了滿足植物油等普通體液體的公路、鐵路、水路運輸需求，提高運輸?shù)慕?jīng)濟性，設(shè)計了一種非圓截面的罐式集裝箱，容積達到了30m3，實際裝載達到26020kg，相對于26m3容積罐箱，裝載量提升了15.6%，即3520kg。本文對容積30m3非圓截面罐式集裝箱（以下簡稱植物油罐箱）的設(shè)計標準、選材、設(shè)計、防腐、仿真分析、試驗、出廠和定檢等進行介紹。

1 設(shè)計標準

植物油罐箱的設(shè)計應當符合相關(guān)國際公約和標準的要求。植物油為非危險液體貨物，罐箱的容器設(shè)計標準參考GB/T150《壓力容器》。植物油罐箱的主要設(shè)計標準和規(guī)范還包括ISO668：2020《系列1集裝箱 分類、尺寸和額定質(zhì)量》、ISO1496-3：2019《系列1集裝箱 技術(shù)要求和試驗方法 液體、氣體及加壓干散貨罐式集裝箱》、ISO6346：2012《集裝箱 代碼、識別和標記》、ISO9669：1990《系列1集裝箱 罐式集裝箱的接口》、《1972年集裝箱關(guān)務(wù)公約》、《1972年集裝箱關(guān)務(wù)公約》、國際鐵路聯(lián)盟（UIC）50596-6《聯(lián)合運輸、聯(lián)合運輸線路和車輛所使用的多式聯(lián)運裝載裝置編碼標準》規(guī)定、中國船級社《集裝箱檢驗規(guī)范》（2021）、中國船級社《材料與焊接規(guī)范》（2021）、TG/01-2014《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》、《鐵路主要技術(shù)政策》（2013）等。

2選材要求

2.1罐體材質(zhì)的選擇

選擇罐體材料時應考慮設(shè)計標準、使用條件、運用工況，材料性能、安全裕度、生產(chǎn)制造工藝以及綜合經(jīng)濟合理性等。其中，使用條件包括設(shè)計壓力、設(shè)計溫度度、裝卸貨工況、介質(zhì)特性和使用維護等，材料性能包括力學性能、化學元素含量及物理性能等。在開展設(shè)計時，主要有三點需要重點關(guān)注。一是根據(jù)設(shè)計溫度選取材料使用溫度限界的確定，考慮到植物油罐在不同的地區(qū)使用，低溫按照罐箱使用環(huán)境溫度下限-40℃選材，同時，由于該箱具有蒸汽加熱系統(tǒng)，最高溫度為130℃，材料隨著溫度提高，許用應力會有所下降。二是腐蝕裕量的確定，設(shè)計者應根據(jù)介質(zhì)對鋼材的腐蝕速率和容器設(shè)計的使用年限合理預估所需要的腐蝕裕量。同一容器的不同部件可以根據(jù)使用情況選擇不同的腐蝕裕量。三是材質(zhì)標準的選擇，同樣標號的材料在不同的材質(zhì)標準里許用應力不同，選擇屈服強度大的材質(zhì)標準，可以在同等設(shè)計條件下，降低罐體的筒壁厚度，達到減重的目的。同時也可以減少材料的使用，降低制造成本。如本罐箱采用的奧氏體不銹鋼X5CrNi18-10（標準：EN10028-7：2016），屈服強度是260MPa，在GB/T24511-2017里，屈服強度為250MPa。

2.2框架選材要求

框架材料應當具備良好的強度、剛度性能和耐大氣腐蝕性能，并且具有滿足罐箱使用的沖擊韌性和焊接性能。

3設(shè)計要求

植物油罐箱可適用于公路、水路和鐵路聯(lián)運，設(shè)計時除了應滿足相關(guān)的設(shè)計標準及政策外還應注意以下六點。（一）框架采用全框架結(jié)構(gòu)，罐體與框架通過裙圈剛性連接。通過仿真分析計算和型式試驗表明，全框架裙圈連接結(jié)構(gòu)提高了植物油罐箱整體剛度，提升了鐵路運輸工況下車輛之間的縱向沖擊性能，為罐體提供更好的保護。（二）罐體與框架組裝時，罐體的非卸貨口前端應高于底部卸貨口端5-10mm，這是由于采用了非圓的截面，使罐體底部的弧度相對圓形截面變大，通過抬高非卸貨口端更有利于下卸閥卸凈貨物。（三）箱體頂部步道應采用鋁合金步道，采用鋪滿結(jié)構(gòu)，框架頂部梁與相鄰步道板之間、溢流盒與相鄰步道板之間的距離不大于100mm，以便于裝卸貨作業(yè)。（四）罐箱爬梯梯凳應進行防滑設(shè)計，根據(jù)最新的ISO1496-3標準，保持相鄰梯等之間間距不大于330mm。（五）植物油罐箱應在頂部氣相閥和底部下卸閥之間配備氣液聯(lián)動鎖閉裝置，以避免因為人為操作失誤，未打開頂部氣相閥卸貨而造成的罐體產(chǎn)生負壓損壞。（六）底部的卸料閥應采用夾持式三段閥，即，緊急關(guān)閉閥、蝶閥和卸料扣蓋。同時為了滿足公路、鐵路運輸，閥的最低點應距下端梁上平面有足夠的高度，便于下卸閥的裝卸操作。

4防腐要求

框架應該采用油漆防護，依次噴涂富鋅底漆、環(huán)氧中間漆和面漆。所有漆面應按GB/T9286-1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗》進行漆膜劃格試驗檢測。不銹鋼罐體內(nèi)外表面不涂漆。罐體外部具有巖棉層保溫層，采用玻璃鋼外包包裹。

5仿真分析要求

除了按照GB/T150-2011《壓力容器》對罐體部分進行規(guī)則計算外，植物油罐箱按中國船級社《集裝箱檢驗規(guī)范》（2021）第8章 罐式集裝箱 附錄Ⅰ罐式集裝箱有限元計算指南的要求，仿真分析罐式集裝箱在運輸工況中所承受的四種慣性力載荷。其中，縱向即運行方向載荷為為罐箱總質(zhì)量乘以2倍重力加速度;橫向，即與運行方向垂直的水平方向為罐箱總質(zhì)量乘以1倍重力加速度，垂直向上方向，即與水平方向垂直向上方向為罐箱總質(zhì)量乘以1倍重力加速度，垂直向下方向，即與水平方向垂直向下方向為罐箱總質(zhì)量乘以2倍重力加速度。該部分仿真計算可按照JB4732-1995（2005年確認）《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標準》規(guī)定的許用應力強度等級進行判定。

6試驗要求

植物油罐箱除了應按照設(shè)計標準的規(guī)定進行型式試驗外，還應進行鐵路沖擊試驗和鐵路敞車工況試驗及容積檢測。沖擊試驗按聯(lián)合國《關(guān)于危險貨物運輸?shù)慕ㄗh書（試驗和標準手冊第6修訂版）》ISO1496-3：2019附錄B：動態(tài)縱向沖擊試驗）》進行，并委托有沖擊試驗資質(zhì)的專業(yè)試驗室進行試驗，監(jiān)造機構(gòu)和客戶代表應現(xiàn)場鑒證。

截至2020年，我國鐵路貨車保有量達到91.2萬輛，敞車總數(shù)約占鐵路貨車總數(shù)58.2%，其中通用敞車數(shù)量接近50萬輛，通用敞車運輸集裝箱約占集裝箱鐵路總運量的40%以上。鐵路敞車工況試驗按照中國船級社《集裝箱檢驗規(guī)范》（2021）第8章 罐式集裝箱 附錄Ⅱ鐵路敞車運輸罐式集裝箱的附加要求進行。

罐箱的容積檢測主要采用稱重法和激光檢測法。稱重法即將被檢測罐箱在室溫下空載和裝水后分別進行稱重，兩次稱重的差值除以水的密度（按照25℃，一個標準大氣壓下）得到的體積即為罐體的容積。采用激光檢測法是將特定的激光探頭自罐體頂部人孔伸入罐內(nèi)，通過激光掃描成像和后期建模計算罐體內(nèi)部的體積，從而得出罐體的容積。

7出廠和定檢要求

植物油罐箱出廠前需完成所有樣箱型式試驗、沖擊試驗和鐵路敞車工況試驗，并取得中國船級社的集裝箱證書。營運使用時，植物油罐箱應按照中國船級社《集裝箱檢驗規(guī)范》（2021）第2章第5節(jié)營運檢驗的要求進行定期檢驗。根據(jù)需要也可以申請其他船級社的集裝箱證書，按照所申請船級社要求進行運營與定檢。

8經(jīng)濟性分析

植物油罐箱為植物油介質(zhì)專用的ISO標準的20英尺罐式集裝箱，與圓形界面的20英尺標準罐式集裝箱相比，該箱具有如下優(yōu)勢：

（1）該箱罐體為非圓截面設(shè)計，與圓形截面罐箱26m3容積相比，容積增加了4m3，在同樣的罐箱外形尺寸下，提供了更多的容積。

（2）該箱按照總重30480kg設(shè)計運營，在規(guī)定充裝率下，與常溫下的植物油密度相同。即滿載時，總重即為罐箱設(shè)計總重，既不虧噸也不浪費容積，具有較優(yōu)的經(jīng)濟性。

9 結(jié)束語

植物油罐箱設(shè)計采用了非圓截面，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低了罐箱的自重，在規(guī)定的集裝箱外形尺寸下提高了罐體的容積，實現(xiàn)了罐箱容重比與介質(zhì)密度的匹配，具有較優(yōu)的經(jīng)濟性。隨著多式聯(lián)運的提速發(fā)展，“一帶一路”倡議的提出，以市場為導向，針對具體介質(zhì)，設(shè)計出針對性的集裝箱產(chǎn)品，實現(xiàn)運輸效益最大化，可預見，未來這種專用的集裝箱發(fā)展前景廣闊。

作者簡介：李濤（1983-），男，高級工程師，從事特種集裝箱和移動式壓力容器研發(fā)工作。